Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Planar-Positioniervorrichtung, mit einem Stator, der eine Spulenanordnung aus Flachspulen umfasst, einem in Betriebslage der Positioniervorrichtung dem Stator gegenüberliegend angeordneten Läufer, der eine planare Magnetanordnung aus mehreren Magnetreihen aufweist, wobei die durch die planare Magnetanordnu ng aufgespannte Ebene parallel zur Ebene der Spulenanordnung angeordnet ist, wenigstens einem In Betriebslage der Positioniervorrichtung innerhalb des Stators oder Läufers angeordneten Positionsmesskopf zur Erfassung der Lage des Läufers relativ zum Stator, einem positionstreu an dem Läufer oder an dem Stator fixierten Flächenmaßstab, und einer Auswertungs- und Steuereinrichtung zur Auswertung von Positionssignalen des Positionsmesskopfes und zur Steuerung einer Bestromung der Spulenanordnung zur Positionssteuerung des Läufers bezüglich des Stators, wobei der Stator oder der Läufer wenigstens ein Fenster zur Sichtbarmachung des Flächenmaßstabes für den Positionsmesskopf aufweist. Sie betrifft des Weiteren einen

Positioniertisch, der eine derartige Positioniervorrichtung enthält, sowie eine mit einem solchen Positioniertisch ausgerüstete Bearbeitungs- oder Messanordnung.

Zahlreiche Typen von Werkzeugmaschinen oder anderen Bearbeitungsoder Messanordnungen sind mit Positioniertischen, auch bezeichnet als Kreuztisch oder XY-Tisch, zur geeigneten Positionierung eines Werkstücks bezüglich eines Werkzeugs oder auch eines Messobjekts bezüglich einer

Messeinrichtung ausgestattet. Fortgeschrittene Positioniertische dieser Art bieten nicht nur eine reine XY-Positionierung, sondern mehrachsige Positionierung, und werden in ihrer höchsten Entwickl ungsstufe auch als 6D-Positionierer oder -Tische bezeichnet.

Während traditionelle XY- oder Kreuztische mit zwei Linearantrieben ausgestattet sind, gewinnen seit einiger Zeit Antriebskonzepte an praktischer Bedeutung, die auf Flachspulenanordnungen und Flächen-Arrays von Permanentmagneten auf Stator- bzw. Läuferseite basieren. Sogenannte „Flächenmotoren" oder Planarantriebe umfassen nur ein einzelnes Motor- Primärteil (Stator) und ein mit Permanentmagneten bestücktes Motor- Sekundärteil (Läufer), so dass ein zweiter Antriebsmotor ebenso entfällt wie zusätzliche mechanische Übertragungselemente, wie sie beispielsweise bei Kugelgewindetrieben benötigt werden .

Planar-Positioniervorrichtungen der genannten oder ähnlicher Art sind beispielsweise aus der US 6,452,292 Bl, US 2007/0035267 AI, US

2006/0049699 AI, WO 2009/1 15071 A2 und WO 2013/0059934 AI bekannt.

Auch die auf die Anmelderin zurückgehende DE 10 201 1 100 153 AI offenbart eine gattungsgemäße Planar-Positioniervorrichtung. Der Aufbau dieser Pianer-Positioniervorrichtung ist in Fig. 1 und 2 schematisch gezeigt. Eine planare Spulenanordnung 1, die hier aus sechs Flachspulen besteht, die in drei Paaren sternförmig um jeweils 120° versetzt angeordnet sind, ist auf einer Statorplatte 9 angeordnet und befestigt. Im Zentrum der Spulenanordnung ist ein freigelassener Raum bzw. ein Fenster 6 belassen, in dem auf der Statorplatte ein Positionsmesskopf (6D-Messkopf) 8 angebracht ist. Über der Statorplatte 9 mit der Spulenanordnung 1 ist, dieser gegenüber bewegbar, ein Läufer 3 mit einer pianaren Magnetanordnung 2 angeordnet, die aus drei Reihen von wechselseitig polarisierten Magneten gebildet ist, die in Mittellage des Läufers drei jeweils mittig zu einem Spulenpaar der Spulenanordnung 1 positioniert sind. Auch im Zentrum der Magnetanordnung 2 befindet sich ein Freiraum bzw. ein Fenster 5, der Platz für einen Flächenmaßstab 7 bietet, der im Zusammenwirken mit dem Positionsmesskopf 8 zur Positionsmessung des Läufers 3 relativ zum Stator 9 dient. Auf der Oberseite des Läufers 2 ist ein Objekt- bzw. Werkstückträger 4 angeordnet.

Aufgrund der Konzeption der Positionsensorik ist bei bekannten Planar- Positioniervorrichtungen der laterale Verfahrbereich relativ eingeschränkt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Planar-Positionier- vorrichtung mit verbesserten Gebrauchseigenschaften, gemäß einem

Aspekt der Erfindung speziell mit vergrößertem Verfahrbereichund höherer Stellkraft in Z-Richtung bei gleichzeitig anforderungsgerechter Präzision der Positionseinstellung, bereitzustellen.

Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung durch eine Planar- Positioniervorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Gemäß einem relativ unabhängigen Aspekt der Erfindung wird weiterhin eine Planar-Positioniervorrichtung mit den Merkmalen des

Anspruchs 9 bereitgestellt. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche. Es wird weiterhin ein vorteilhafter Positioniertisch vorgeschlagen.

Zum ersten Aspekt der Erfindung gehört der Gedanke, einen Flächenmaßstab vorzusehen, der sich über das Fenster im Stator (oder Läufer) hinaus zwischen die Spulen- und Magnetanordnung erstreckt und einen vergrößerten Positionserfassungsbereich für den Positionsmesskopf bietet. Ein weiterer Gedanke der Erfindung ist es, dass der Flächenmaßstab direkt auf mindestens einen Abschnitt der Magnetanordnung. - oder alternativ der Spulenanordnung - aufgelegt ist. Dieser Flächenmaßstab ist, gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung, aus einem das Magnetfeld zwischen Stator und Läufer (genauer: zwischen den Fiachspulen und den Permanentmagneten) nicht beeinflussenden Material gebildet. Gemäß einem weiteren Teilgedanken dieses Aspekts der Erfindung sind diesem vergrößerten Flächenmaßstab Haltemittel zur Gewährleistung einer über seine gesamte Erstreckung zum Läufer und Stator parallelen Konfiguration, ohne relevante Durchbiegung, Aufwölbung oder Welligkeit zugeordnet.

Gemäß einer Ausführung dieses Aspekts erstreckt der Flächenmaßstab sich mindestens über den größeren Teil der Fläche des Läufers oder Stators. Noch spezieller erstreckt der Flächenmaßstab sich über eine Vielzahl von Fenstern bzw. Beobachtungsöffnungen im Läufer oder Stator. Dies eröffnet, jedenfalls mit Hinblick auf die Positionssensorik, einen Verfahrbereich der Positioniervorrichtung, der im Wesentlicher» den Abmessungen der Antriebskomponente Stator bzw. Läufer entspricht.

In einer weiteren Ausführung ist der Flächenmaßstab aus einem Material und mit einer Dicke gefertigt, die eine hohe Eigensteifigkeit gewährleistet. Grundsätzlich kommen hierbei neben Glas oder Keramik auch Metalle in Betracht, die nicht magnetisch und nicht magnetisierbar sind und das Magnetfeld zwischen Stator und Läufer nicht stören. In einer Ausgestaltung dieses Aspekts ist der Flächenmaßstab aus Glas, insbesondere gehärtetem Glas, oder einer Aluminiumfegierung großer Härte gefertigt.

In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Flichenmaßstab eine Dicke zwischen 0,3 und 3 mm aufweist. Die im konkreten zu wählende Dicke wird natürlich von den Abmessungen der Positioniervorrichtung insgesamt und dem für den Flächenmaßstab verwendeten Material sowie den bestehenden Genauigkeitsanforderungen abhängen.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist der Flächenmaßstab so am Läufer angebracht, dass er an Stegen abgestützt ist, die am Läufer zwischen Magnetreihen vorgesehen sind. In analoger Weise kann eine Abstützung des Flächenmaßstabs an entsprechenden Stegen oder Abstüt- zungspunkten am Stator erfolgen, sofern die Anbringung des Flächenmaßstabs am Stator vorgesehen ist. Hierdurch lassen sich Aufwölbungen oder Welligkeiten zumindest in Richtung auf die jeweiligen Unterstützungspunkte oder -Linien am Läufer oder Stator weitestgehend vermeiden. Eine, insbesondere vordefiniert elastische, Verklebung an den Stegen bzw.

Abstützungspunkten verbessert diese Wirkung noch.

Gemäß einer weiteren Ausführung weisen die Haltemittel eine Spanneinrichtung zum tangentialen Spannen des Flächenmaßstabs in beide

Erstreckungsrichtungen des Läufers oder Stators auf. Derartige Spanneinrichtungen sind grundsätzlich bekannt; beispielsweise können in X- und Y-Richtung verschiebliche Spann- oder Klemmbacken diese Funktion realisieren.

Gemäß dem zweiten Aspekt basiert die Erfindung auf einer Läufer-Konfiguration mit schachbrettartiger Anordnung von Magnetreihen, bei der zwischen benachbarten Magnetreiben jeweils ein trennender Steg gebildet ist. Hierbei wird vorgeschlagen, dass die Magnetreihen und Stege derart konfiguriert sind, dass die üblicherweise einander schräg gegenüberliegenden Begrenzungskanten diagonal gegenüberliegender Magnetreihen miteinander fluchten . Hierdurch lässt sich die Konfiguration des zwischen Stator und Läufer aufgebauten Magnetfeldes optimieren .

Insbesondere ist vorgesehen, dass in der gleichen Richtung verlaufende, aneinander anschließende Begrenzungsstege jeweils einen seitlichen Versatz annähernd vom Betrag der Stegbreite haben .

Die Stege können einstückig mit dem Grundkörper des Läufers bzw. Positioniertisches gefertigt sein, beispielsweise indem sie beim Ausfräsen von Ausnehmungen für die Magnetanordn ung stehen bleiben.

In einer an sich bekannten Konfiguration, die in vorteilhafter Weise die Realisierung von Drehbewegungen eines Werkstücks oder Messobjektes ermöglicht, weist der Läufer vier quadratische Magnetreihen in Schachbrettanordnung auf, und hierbei kreuzen sich die miteinander fluchtenden Begrenzungskanten der diagonal gegenüber liegenden Magnetfeldreihen in einem zentralen Kreuzungspunkt. In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass die Magnetreihen den zentralen Bereich des Läufers im Wesentlichen bedecken. Dies ist allerdings kein erfindungsnotwendiges Merkmal, sondern die fluchtende Anordnung der Begrenzungskanten kann auch bei einer Ausführung des Läufers vorteilhaft sein, bei der dieser im zentralen Bereich ei n Beobachtungsfenster für die Positionssensorik hat,

Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im Übrigen aus der nachfolgenden skizzenhaften Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren, Von diesen zeigen :

Fig. 1 und 2 eine schematische Schnittdarstellung bzw. Draufsicht einer bekannten Plana r- Positioniervorrichtung,

Flg, 3A bis 3D eine perspektivische Schnittansicht, eine perspektivische Gesamtansicht, eine perspektivische Schnittansicht und eine Explosionsdarstellung wesentlicher Teile von Pia na r- Positioniervorrichtungen gemäß Ausführungsformen der Erfindung,

Fig. 4 eine Teilschnittdarstellung der Planar-Positioniervorrichtung nach

Fig . 3A m it Darstellung der magnetischen Feldlinien und

Fig . 5 eine Draufsicht einer planaren Magnetanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die bei den Planar-Positioniervorrichtungen nach Fig . 3A bis 3D und 4 eingesetzt werden kann.

Bei den in den Figuren 3A bis 3D und 4 gezeigten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Planar-Positioniervorrichtung 10 hat diese einen flach bauenden Stator (Grundkörper) 19 mit planarer Spulenanordnung 1 1, über der ein haubenartig konfigurierter Läufer/Positioniertisch 13 mit integrierter planarer Magnetanordnung (Halbach-Arrays) 12. angeordnet ist. Die Spulenanordnung 1 1 umfasst ein Drei-Phasen-System, aus dem in der Figur aus Übersichtlichkeitsgründen nur jeweils eine Spule I Ia in X-Rich- tung und nur eine Spule I Ib in Y-Richtung dargestellt sind, und ein Spulentreiberboard 11c. Während bei einer ersten Ausgestaltung (Fig. 3A) im Stator 19 mit der Spulenanordnung 11 wiederum, wie bei der weiter oben beschriebenen bekannten Anordnung, ein zentraler Freiraum bzw. ein Fenster 16 für einen (hier nicht gezeigten) Positionsmesskopf vorgesehen ist, und eine zweite Ausgestaltung (Fig. 3A bis 3D) eine reguläre Anordnung einer Vielzahl von Fenstern bzw. Beobachtungsöffnungen 16 aufweist, gibt es bei der Magnetanordnung 12 im Läufer/Positioniertisch 13 keinen solchen Freiraum bzw. kein solches Fenster, Die Magnetreihen erstrecken sich lückenlos bis ins Zentrum des Läufers.

Auf die Unterseite der pianaren Magnetanordnung 12 im Läufer/Positioniertisch 13 ist ein sich über die gesamte Erstreckung des Läufers erstreckender Flächenmaßstab 17 aus Glas fest aufgesetzt. Vorzugsweise Ist der Flächenmaßstab 17 an den Außenkanten des Läufers/Positioniertisches 13 mit einer in der Figur nicht dargestellten Spanneinrichtung in der XY-Ebene verspannt und/oder am Läufer elastisch angeklebt. Wie in der Teilansicht gemäß Fig. 4 deutlich wird, wird der Verlauf der Magnetfeldlinien zwischen der Spulenanordnung 11 und der Magnetanordnung 12 durch den dazwischen liegenden Flächenmaßstab 17 nicht gestört. Außer mit Glas lässt sich diese Wirkung auch mit anderen nicht metallischen Materialien oder auch mit nicht magnetischen und nicht magnetisierbaren Metallen erreichen, beispielsweise mit Keramik oder Aluminiumlegierungen, die auch wegen ihrer mechanischen Eigenschaften und der moderaten Kosten für die Ausführung des Flächenmaßstabes in Betracht kommen.

Fig. 5 zeigt eine Ausführung der Magnetanordnung 12 mit vier in ihrer Außenkontur quadratischen Magnetreihen 12a - 12d, zwischen denen Trennstege 12e - 12h vorgesehen sind. Wie weiter oben erwähnt, erstrecken sich die Magnetreihen bei dieser Ausführung der Planar-Positio- niervorrichtung bis in deren Zentrum.

Um eine miteinander fluchtende Ausrichtung der üblicherweise einander schräg gegenüberliegenden Begrenzungskanten der diagonal gegenüber liegenden Magnetreihen 12a und 12c bzw. 12b und 12d zu erreichen, sind die Begrenzungsstege 12e und 12g bzw. I2f und 12h nicht miteinander fluchtend, sondern mit einem Versatz gegeneinander angeordnet, der annähernd der Stegbreite entspricht. Durch die miteinander fluchtende Anordnung der relevanten Begrenzungskanten der sich diagonal gegenüber liegenden Magnetreihen lässt sich eine Optimierung der Magnetfeldkonfiguration zwischen der planaren Magrietanordnung im Läufer und der planaren Spulenanordnung im Stator der Positioniervorrichtung erreichen. Die zur Erzeugung der Kräfte linear in der leiterplatte liegenden Spulen- Drähte überdecken somit lückenlos die diagonal erzeugten und aneinander angrenzenden Magnetfelder bzw. haben keiner» Phasenversatz zwischen ihnen.

Die Stege 12e - 12h können im Übrigen in ihrer Höhe derart bemessen sein, dass sie zugleich als Auflagelinien für den gemäß Fig. 3 und 4 unterhalb der Magnetanordnung angebrachten Flächenmaßstab dienen und diesen so abstützen, dass ein Aufwölben in Richtung auf die Magnetanordnung oder eine Welligkeit, die Positionsmessungen verfälschen könnten, weitestgehend vermieden wird. Diese Wirkung lässt sich besonders Vorteilhaft im Zusammenspiel mit einer Spanneinrichtung sonstigen Haltemitteln an den Außenkanten des Läufers realisieren.

Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf diese Beispiele beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen.